高溫環境下運動對機體生理代謝的影響綜述

王加猛（通訊作者） 牟新彥 張傳童

（1.海南醫學院 海南 海口 571199；2.冠縣一中 山東 聊城 252500；3.山東臨朐城關初級中學 山東 濰坊 262600）

緒論

海南島地處熱帶北緣，是我國唯一的熱帶地區屬熱帶季風性氣候，賦有天然的大溫室之美稱，年平均氣溫22℃-27℃。隨著2018年4月海南省自貿區的建立，海南省的各行各業蓬勃發展的同時，也帶動了休閑體育產業，及各類運動康復類項目日益發展，為海南經濟的發展注入一股新的力量。為了更加科學性的指導熱帶環境下的體育運動，我們要研究在高溫下運動對機體生理代謝的影響，以確保廣大運動愛好者在參與熱帶體育項目時，能夠獲得更科的運動指導，獲得更加舒適的體驗，和更加健康的體魄。首先我們需要了解在高溫環境下運動時，對機體的心血管系統，能量代謝與體液的影響，從而做到在運動時，對不利因素進行科學化的應對，對有利因素加以利用，從而更加科學化的指導熱帶體育運動。

1、高溫環境下運動對機體生理反應

在冷熱環境中，長時間運動時，體溫會維持在36.1℃-37.8℃之間。運動會使機體產生大量的熱，在低溫環境下運動時，有利于體內熱量的散出，更有利于維持正常的體溫；然而在高溫環境下運動時，則不利于體內熱量的散出。運動者在高溫下運動時，身體就會因體溫高于正常體溫，而出現一系列的生理性變化，進而會影響運動者的運動能力和運動效果。運動者在高溫下運動時，主要會影響心血管系統、能量代謝、體液等方面。

1.1、對心血管系統的影響

運動者在高溫下運動時，為了維持正常的體溫，會給循環系統帶來一定程度的負擔。心血管系統會把運動時肌肉產生的熱量傳遞到皮膚，從而通過皮膚把熱量散發于外界環境中。熱環境中運動時會有一部分的心搏出量作用于皮膚和運動的肌肉之間，來維持體內熱量的散發。由于血液總量是恒定的的運動時會出現比較復雜的問題，例如，向一個特定的部位輸送的血液增加的同時，向其他部位輸送的血液就會減少。

因此，以短跑為例，運動時來維持肌肉的迅速收縮和舒張，血液就會為肌肉收縮提供更多的能量，此時心率就會加快（如圖1），血液循環速率也隨之加快，大部分血液都流向肌肉，而流經皮膚組織細胞的血液流量就會減少，從而妨礙了機體肌肉熱量的散發。在此同時，體溫調節中樞，為了更多地將溫度較高的血液輸送到皮膚來達到散熱的目的，就會刺激心血管系統，這時皮膚的血管就會出現膨脹。也就會限制維持肌肉活動所需血液輸送量，導致供給骨骼肌的能量減少，肌肉持續收縮能力力也會隨之下降。此時，向肌肉運動輸送的血液量與保障體溫調節所需的血液量就會相互限制，從而降低了骨骼肌的持續收縮能力，導致運動能力下降。

圖1 熱環境（溫度40℃，濕度15%），涼爽環境（溫度9℃，濕度55%）下的心率變化

圖2 熱環境（溫度40℃，濕度15%），涼爽環境（溫度9℃，濕度55%）下的氧氣消耗量變化

1.2、對機體能量代謝的影響

在Fink等人的研究中，除了體溫和心率上升之外，高溫下運動要比低溫下運動，肌糖原的消耗更高，產生的乳酸更多，消耗的氧氣量也會隨之增加（如圖2、3、4）。在環境溫度為40℃時，做反復性運動時，被試者的心率和耗氧量，要比在溫度為9℃時有更高的值出現。因此，表明在高溫環境里運動時，心血管系統會承受更高的負荷量，心率隨之大幅度上升。還會伴隨著汗液的生成與呼吸頻率的增加，需要消耗更多的能量和氧氣。在高溫下運動時，流向肌肉的血液的供應量減少，為肌肉提供的氧氣減少，會消耗更多的肌糖原，產生更多的乳酸。因此，這也就是在高溫下運動導致快速疲勞的原因。

圖3 熱環境（溫度40℃，濕度15%），涼爽環境（溫度9℃，濕度55%）下的學乳酸含量變化

圖4 熱環境（溫度40℃，濕度15%），涼爽環境（溫度9℃，濕度55%）下的肌糖原含量變化

1.3、對體液的影響

當周圍環境溫度接近或超過皮膚和體內溫度時，通過蒸發來散發體表和體內的熱量的方式占據了主導作用。通過輻射、對流、傳導已經不足以有效性地散發掉體內所產生的熱量。事實上，在極端的高溫環境下，通過輻射、對流、傳導不但不能夠散發體內的熱量反而會使體溫升高。因此，若通過體表蒸發散熱量，汗液的分泌量就顯得尤其重要了。

汗腺分泌汗液是通過下丘腦的刺激來進行調節的。當血液溫度上升，下丘腦就會通過交感神經纖維來對分布在人體數百萬個汗腺發出指令，汗腺就會分泌出大量的汗液。

汗液會在汗腺的分泌片段上產生，通過過濾的汗液在汗腺管排出的同時，甘氨膽酸鈉和氯化鎂會慢慢地被周圍的組織所吸收再次回到血液當中。在輕度出汗的狀態下，過濾的汗液就會慢慢地經過周圍組織，甘氨膽酸鈉和氯化鎂能重新被吸收回到血液當中，由于汗液分泌速度慢，因此，甘氨膽酸鈉和氯化鎂幾乎完全被吸收回血液中；在輕度出汗的狀態下，流失無機鹽的量是非常少的。但是在劇烈運動時，汗液的分泌量增加，分泌速率加快，過濾并重新吸收回血液的時間就會減少，因此，汗液被重新吸收回血液中的無機鹽就會大量減少，隨著汗液排出體外的流失量增加。

如表1所示汗液中無機鹽的流失量經過訓練的人和沒有經過訓練的人是由一定差異的在反復訓練時，熱量的反復性釋放和醛固酮對汗腺的強化性刺激，甘氨膽酸鈉和氯化鎂再吸收的量就會增加。但是對于其他汗液中的電解質不具有重新吸收的功能。

表1 經過熱環境鍛煉和沒有經過熱環境鍛煉的男女汗液排出的鈉離子，氯離子，鉀離子濃度的差異

在熱環境中做高強度的運動時，身體的1m2的體表面積，每小時會生成1升的汗液。在濕熱的環境下，體重為50kg-75kg的人每小時的汗液分泌量為1.5L-2.5L。人體最大限度的一天的汗液分泌量在10L-15L左右，無機鹽的流失量約占總出汗量的2%-5%。在這種環境下運動，人體很快就會出現脫水的危險。

汗液快速分泌會導致血液總量減少。為了保證肌肉的血液供給量，來防止熱量的持續累積，為肌肉提供能量的血液量就會受到一定的限制，此時，就會降低最大的運動能力，特別是耐力性項目最大運動能力會顯著降低。馬拉松選手運動時，無機鹽能占到總汗液流失量的6%-10%。如果脫水嚴重，汗液的分泌就會受到限制，很容易使人患上熱性疾病。

汗液中無機鹽與水分大量流失，就會引起體內的醛固酮和抗利尿激素分泌。醛固酮能維持體液中的甘氨膽酸鈉在一個適當的濃度，而抗利尿激素能維持體液中水分的平衡。在嚴格意義上講，醛固酮會使血液中的甘氨膽酸鈉濃度下降，血液流量減少，血壓降低，和帶來相應的刺激反應的同時，引起腎上腺皮質激素分泌。在高溫下，進行反復幾天的運動，在運動時而這種激素會限制腎臟的甘氨膽酸鈉的排出，將更多的甘氨膽酸鈉留在身體中，來維持體內水分的平衡。因此，血漿與細胞間的液體含量會增加10%-20%。這樣的變化，高溫下運動會使體內的水分與甘氨膽酸鈉得到有效的維持。同樣，運動與體液的流失，抗利尿激素的分泌，也會使腦垂體后部受到刺激。抗利尿激素就會促進腎臟對水分的再吸收，這樣體液中水分就會增加。因此腎臟就會減少小便的排量，來使人體通過出更多的汗來降低體內的熱量，維持人體體液水分與無機鹽的平衡。

2、環境下機體運動適應的判定

我們怎樣才能在高溫環境下，進行長時間的持續性運動？在高溫環境下訓練的話是否能承受住機體產生熱量所帶來的壓力？帶著這些疑問我們進行了大量研究，結果如下。

2.1、熱環境對機體運動的影響

長時間在高溫環境中運動訓練，身體的散熱能力就會逐漸地提高，中暑發生的可能性也會大幅度降低。這樣的現象稱之為熱適應，不僅是從血液循環與汗液的分泌兩個生理層面上來說，身體其他層面的生理適應能力也會得到提升。熱適應并不是以運動時產生汗液的總量來衡量的，但確實是通過皮膚排出大量的汗液，使人體內的熱量能得到更高效性的散熱。運動開始的時候，已經對熱適應的人，皮膚會迅速出現汗液，可以迅速地將產生的熱量散發掉，皮膚的溫度也變得較低。這樣一來，體內的溫度和皮膚溫度與周圍環境溫度之間就會出現溫度差，這樣體內熱量就更容易散發，因此，向皮膚傳遞熱量的血液的流量就會有所減少，就會有更多的血液流向骨骼肌以滿足對運動的需求。在高溫下熱適應時的汗液濃度就會変稀，人體的無機鹽也就能得到有效性的儲藏。在特定運動強度下訓練和進行體育活動時，人體的散熱能力會得到提升，那是因為適應了高溫下運動時，人體溫要比沒有適應了高溫下運動時，人的體溫要低（圖5）。在高溫下訓練后，在以相同運動強度進行運動時，熱適應的人的心率要比沒有熱適應人的心率要低（圖6）。出現這種差異是因為機體的適應就是機體總血液量增加，流向皮膚的血液量減少的原因，這兩個方面的原因會使心臟的每回心搏出量增加。有些研究者還提出，這樣熱適應后，不僅使人體的總血液量就會增加，而且盡最大限度的有效的保存了機體的無機鹽，血漿的含量。

圖5 熱適應和沒有熱適應人運動時體溫的差異變化

圖6 熱適應和沒有熱適應人運動時心率的差異變化

而且在熱適應以后，機體感覺疲勞或力竭之前，要比沒有熱適應之前能夠做更多得功。相同的運動量在熱環境下要比低溫環境下運動時，會消耗更多的肌糖原。機沒有熱適應之前，連續幾天在熱環境中訓練，肌肉中的肌糖原含量機會減少，會引起慢性疲勞。熱適應之后，肌糖原消耗量會減少到原來肌糖原消耗量的50-60%，從而大大降低了慢性疲勞產生的可能性。

2.2、熱環境下運動適應的判定

熱適應的判定是由環境條件，在熱環境里運動的時間，人體熱量散失的速度、運動強度三方面條件決定的。根據大量研究發現，運動者要想在熱環境下，提高運動能力首先要進行熱適應訓練，必須在熱環境下進行實際的訓練，而不是單純的身體處于熱環境中。

不單單是在熱環境中，運動者能得到最大的適應效果，就是再重新返回涼爽的環境里運動時，對身體產生的熱量的散失能力起到很好的作用。這樣就會有更多的血液流向骨骼肌，提高運動能力。熱適應能提高競技運動能力，降低生理性的壓力大大降低了熱性病的發病率。

在一般情況下，運動者在熱環境下訓練5-10天，每天運動1小時，就會達到熱適應，最初幾天為了克服熱對身體帶來的負荷，運動強度要降低到60%-70%。這樣就可以最大限度的降低和預防選手中暑的幾率。在運動時，要補充大量的水分以維持體液的平衡。心血管系統一般在3-5天就會出現適應的現象。而汗液分泌一般要在10天左右才能得到適應。

3、結語

在高溫環境下運動時，機體為了把內部熱量排出體外，大部分血液會參與散熱，導致流向骨骼肌的血液流量減少，進而影響肌肉的持續收縮能力，運動能力下降；心率也會隨之加快，會給心血管系統帶來更大的負荷壓力。熱環境運動適應后，心率會減緩，流向肌肉的血液會增加，為骨骼肌的運動提更多的供能量。初期在高溫下運動時，由于幫助機體散熱，機體內的肌糖原會被大量消耗掉，引起慢性疲勞。熱環境運動適應之后，肌糖原消耗量會減少到熱環境為適應時的消耗量的50%-60%，從而大大降低了慢性疲勞產生的速率。在高溫下，進行反復幾天的運動訓練，會使機體的散熱效能得到提高，不但能保障更多的血液流向骨骼肌，而且還能有效的減少體內水分和無機鹽的流失，從而降低了在熱環境下中暑的可能性性。因此，在熱環境下訓練指導，在一般情況下選手在熱環境下訓練5-10天，每天運動1小時，就會達到熱適應，最初幾天為了克服散熱對身體帶來的負荷，運動強度要降低到60-70%。這樣就可以最大限度的降低運動者中暑的幾率。在熱環境運動時，要補充大量的水分以維持體液的平衡；心血管系統一般在3-5天就會出現適應的現象；而汗液分泌一般要在10天左右才能得到適應。

4、展望

通過以上論述對高溫下運動者的生理性影響和對運動者熱適應判定的論述可知，通過對運動愛好者和運動選手的心率、體內核心溫度、氧氣消耗率、血乳酸、肌糖原、分泌汗液體積及無機鹽的濃度等可測量性常規生理指標進行測定，建立熱帶環境下運動生理性數據庫，建立熱帶訓練指導體系。科學化的制定對熱適應的訓練與營養攝入的科學化數據體系，降低熱帶病癥與訓練不適，帶來的危險事件的發生概率，讓運動者和選手，能更加快速有效的融入熱帶運動和訓練中，確保在參與熱帶環境運動時，自身安全性和自身運動效果的可靠性。